Както вече знаем, едно вещество може да съществува в три агрегатни състояния: газообразен, трудноИ течност. Кислородът, който при нормални условия е в газообразно състояние, при температура от -194 ° C се трансформира в синкава течност, а при температура от -218,8 ° C се превръща в снежна маса със сини кристали.
Температурният диапазон за съществуване на веществото в твърдо състояние се определя от точките на кипене и топене. Твърдите вещества са кристаленИ аморфен.
U аморфни веществаняма фиксирана точка на топене - при нагряване те постепенно омекват и преминават в течно състояние. В това състояние например се намират различни смоли и пластелин.
Кристални веществаТе се отличават с правилното разположение на частиците, от които се състоят: атоми, молекули и йони, в строго определени точки в пространството. Когато тези точки са свързани с прави линии, се създава пространствена рамка, тя се нарича кристална решетка. Точките, в които се намират кристалните частици, се наричат възли на решетката.
Възлите на решетката, които си представяме, могат да съдържат йони, атоми и молекули. Тези частици извършват колебателни движения. При повишаване на температурата обхватът на тези трептения също се увеличава, което води до топлинно разширение на телата.
В зависимост от вида на частиците, разположени във възлите на кристалната решетка и характера на връзката между тях, се разграничават четири вида кристални решетки: йонни, атомен, молекулярноИ метал.
ЙонниТе се наричат кристални решетки, в които йоните са разположени във възлите. Те се образуват от вещества с йонни връзки, които могат да свързват както прости йони Na+, Cl-, така и сложни SO24-, OH-. По този начин йонните кристални решетки имат соли, някои оксиди и хидроксили на метали, т.е. тези вещества, в които съществува йонна химична връзка. Помислете за кристал на натриев хлорид; той се състои от положително редуващи се Na+ и отрицателни CL- йони, заедно образуват решетка с форма на куб. Връзките между йони в такъв кристал са изключително стабилни. Поради това веществата с йонна решетка имат относително висока якост и твърдост, те са огнеупорни и нелетливи.
АтоменКристалните решетки са тези кристални решетки, чиито възли съдържат отделни атоми. В такива решетки атомите са свързани един с друг чрез много силни ковалентни връзки. Например диамантът е една от алотропните модификации на въглерода.
Веществата с атомна кристална решетка не са много разпространени в природата. Те включват кристален бор, силиций и германий, както и сложни вещества, например тези, които съдържат силициев оксид (IV) - SiO 2: силициев диоксид, кварц, пясък, планински кристал.
По-голямата част от веществата с атомна кристална решетка имат много високи точки на топене (за диаманта надвишава 3500 ° C), такива вещества са силни и твърди, практически неразтворими.
МолекулярнаТе се наричат кристални решетки, в които молекулите са разположени във възлите. Химичните връзки в тези молекули също могат да бъдат полярни (HCl, H 2 O) или неполярни (N 2, O 3). И въпреки че атомите вътре в молекулите са свързани с много силни ковалентни връзки, между самите молекули действат слаби сили на междумолекулно привличане. Ето защо веществата с молекулярни кристални решетки се характеризират с ниска твърдост, ниска точка на топене и летливост.
Примери за такива вещества включват твърда вода - лед, твърд въглероден оксид (IV) - "сух лед", твърд водороден хлорид и сероводород, твърди прости вещества, образувани от едно - (благородни газове), две - (H 2, O 2, CL 2, N 2, I 2), три - (O 3), четири - (P 4), осем атомни (S 8) молекули. По-голямата част от твърдите органични съединения имат молекулни кристални решетки (нафталин, глюкоза, захар).
blog.site, при пълно или частично копиране на материал е необходима връзка към първоизточника.
В химически взаимодействия влизат не отделни атоми или молекули, а вещества. Веществата се класифицират според вида на връзката молекулярни и немолекулни сгради.
Това са вещества, съставени от молекули. Връзките между молекулите в такива вещества са много слаби, много по-слаби, отколкото между атомите вътре в молекулата, и дори при относително ниски температури те се разкъсват - веществото се превръща в течност и след това в газ (сублимация на йод). Точките на топене и кипене на веществата, състоящи се от молекули, се увеличават с увеличаване на молекулното тегло. ДО молекулярни веществавключват вещества с атомна структура (C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W), сред тях има метали и неметали.
Немолекулна структура на веществата
Към вещества немолекулярниструктурите включват йонни съединения. Повечето съединения на метали с неметали имат тази структура: всички соли (NaCl, K 2 S0 4), някои хидриди (LiH) и оксиди (CaO, MgO, FeO), основи (NaOH, KOH). Йонните (немолекулни) вещества имат високи точки на топене и кипене.
Твърди вещества: кристални и аморфни
Аморфни веществанямат ясна точка на топене - при нагряване те постепенно омекват и преминават в течно състояние. Например пластилинът и различните смоли са в аморфно състояние.
Кристални веществасе характеризират правилно местоположениеонези частици, от които се състоят: атоми, молекули и йони - в строго определени точки в пространството. При свързването на тези точки с прави линии се образува пространствена рамка, т.нар кристална решетка. Точките, в които се намират кристалните частици, се наричат възли на решетката.
В зависимост от вида на частиците, разположени във възлите на кристалната решетка и характера на връзката между тях, се разграничават четири вида кристални решетки: йонни, атомни, молекулни и метални .
Йонни кристални решетки
Йоннисе наричат кристални решетки, в чиито възли има йони. Те се образуват от вещества с йонни връзки, които могат да свързват както прости йони Na +, Cl -, така и сложни йони S0 4 2-, OH -. Следователно солите и някои оксиди и хидроксиди на метали имат йонни кристални решетки. Например кристал на натриев хлорид е изграден от редуване положителни йони Na + и отрицателен Cl - , образувайки решетка с форма на куб.
Йонна кристална решетка на готварска сол
Връзките между йони в такъв кристал са много стабилни. Следователно веществата с йонна решетка се характеризират с относително висока твърдост и якост, те са огнеупорни и нелетливи.
Атомни кристални решетки
Атоменсе наричат кристални решетки, в чиито възли има отделни атоми. В такива решетки атомите са свързани един с друг чрез много силни ковалентни връзки. Пример за вещества с този тип кристална решетка е диамантът, една от алотропните модификации на въглерода.
Атомна кристална решетка на диаманта
Повечето вещества с атомна кристална решетка имат много високи точки на топене (например за диаманта е над 3500 ° C), те са здрави и твърди и практически неразтворими.
Молекулни кристални решетки
Молекулярнанаречени кристални решетки, в чиито възли са разположени молекули.
Молекулярна кристална решетка на йод
Химичните връзки в тези молекули могат да бъдат както полярни (HCl, H 2 O), така и неполярни (N 2, O 2). Въпреки факта, че атомите вътре в молекулите са свързани чрез много силни ковалентни връзки, между самите молекули действат слаби междумолекулни сили на привличане. Следователно веществата с молекулярни кристални решетки имат ниска твърдост, ниски точки на топене и са летливи. Повечето твърди органични съединения имат молекулни кристални решетки (нафталин, глюкоза, захар).
Метални кристални решетки
Веществата с метални връзки имат металкристални решетки.
На местата на такива решетки има атоми и йони (атоми или йони, в които металните атоми лесно се трансформират, предавайки своите външни електрони „на обща употреба"). Тази вътрешна структура на металите определя техните характерни физични свойства: ковкост, пластичност, електрическа и топлопроводимост, характерен метален блясък.
Структурата на материята се определя не само от относителното разположение на атомите в химическите частици, но и от местоположението на тези химически частици в пространството. Най-подреденото разположение на атомите, молекулите и йоните е кристали(от гръцки " кристалос" - лед), където химическите частици (атоми, молекули, йони) са подредени в определен ред, образувайки кристална решетка в пространството. При определени условия на образуване те могат да имат естествената форма на правилни симетрични полиедри. Кристалното състояние е характеризиращ се с наличието на далечен ред в подреждането на частиците и симетрична кристална решетка.
Аморфното състояние се характеризира с наличието само на близък ред. Структурите на аморфните вещества приличат на течности, но имат много по-малка течливост. Аморфното състояние обикновено е нестабилно. Под въздействието на механични натоварвания или температурни промени аморфните тела могат да кристализират. Реактивността на веществата в аморфно състояние е много по-висока, отколкото в кристално състояние.
Аморфни вещества
Основен знак аморфен(от гръцки " аморфос" - безформено) състояние на материята - отсъствие на атомни или молекулярна решетка, тоест триизмерната периодичност на структурата, характерна за кристалното състояние.
Когато течно вещество се охлажда, то невинаги кристализира. при определени условия може да се образува неравновесно твърдо аморфно (стъклено) състояние. Стъклообразното състояние може да съдържа прости вещества (въглерод, фосфор, арсен, сяра, селен), оксиди (например бор, силиций, фосфор), халогениди, халкогениди и много органични полимери.
В това състояние веществото може да бъде стабилно за дълъг период от време, например възрастта на някои вулканични стъкла се оценява на милиони години. Физическите и химичните свойства на вещество в стъкловидно аморфно състояние могат да се различават значително от свойствата на кристално вещество. Например стъкловидният германиев диоксид е химически по-активен от кристалния. Разликите в свойствата на течното и твърдото аморфно състояние се определят от естеството на термичното движение на частиците: в аморфно състояние частиците са способни само на осцилаторни и ротационни движения, но не могат да се движат през дебелината на веществото.
Има вещества, които могат да съществуват само в твърда форма в аморфно състояние. Това се отнася за полимери с неправилна последователност от единици.
Аморфни тела изотропен, тоест техните механични, оптични, електрически и други свойства не зависят от посоката. Аморфните тела нямат фиксирана точка на топене: топенето се извършва в определен температурен диапазон. Преходът на аморфно вещество от твърдо в течно състояние не се придружава от рязка промяна на свойствата. Все още не е създаден физически модел на аморфното състояние.
Кристални вещества
Твърди кристали- триизмерни образувания, характеризиращи се със строга повторяемост на един и същ структурен елемент ( единична клетка) във всички посоки. Единичната клетка е най-малкият обем на кристал под формата на паралелепипед, повтарящ се в кристала безкраен брой пъти.
Геометрично правилна формакристалите се определя преди всичко от тяхната строго правилна вътрешна структура. Ако вместо атоми, йони или молекули в кристала изобразим точки като центрове на тежестта на тези частици, получаваме триизмерно редовно разпределение на такива точки, наречено кристална решетка. Самите точки се наричат възликристална решетка.
Видове кристални решетки
В зависимост от това от какви частици е изградена кристалната решетка и каква е природата химическа връзкамежду тях, разграничете различни видовекристали.
Йонните кристали се образуват от катиони и аниони (например соли и хидроксиди на повечето метали). При тях има йонна връзка между частиците.
Йонните кристали могат да се състоят от моноатоменйони. Така се изграждат кристалите натриев хлорид, калиев йодид, калциев флуорид.
Едноатомни метални катиони и многоатомни аниони, например нитратен йон NO 3 −, сулфатен йон SO 4 2−, карбонатен йон CO 3 2−, участват в образуването на йонни кристали на много соли.
Невъзможно е да се изолират единични молекули в йонен кристал. Всеки катион се привлича от всеки анион и се отблъсква от други катиони. Целият кристал може да се счита за огромна молекула. Размерът на такава молекула не е ограничен, тъй като тя може да расте чрез добавяне на нови катиони и аниони.
Повечето йонни съединения кристализират в един от структурните типове, които се различават един от друг по стойността на координационното число, т.е. броя на съседите около даден йон (4, 6 или 8). За йонни съединения с равен брой катиони и аниони са известни четири основни типа кристални решетки: натриев хлорид (координационното число на двата йона е 6), цезиев хлорид (координационното число на двата йона е 8), сфалерит и вюрцит (и двата структурни типа се характеризират с координационно число на катиона и аниона, равно на 4). Ако броят на катионите се удвои по-малко числоаниони, тогава координационното число на катионите трябва да бъде два пъти координационното число на анионите. В този случай се реализират структурните типове флуорит (координационни числа 8 и 4), рутил (координационни числа 6 и 3) и кристобалит (координационни числа 4 и 2).
Обикновено йонните кристали са твърди, но крехки. Тяхната крехкост се дължи на факта, че дори при лека деформация на кристала, катионите и анионите се изместват по такъв начин, че силите на отблъскване между подобни йони започват да надделяват над силите на привличане между катиони и аниони и кристалът се разрушава.
Йонните кристали имат високи точки на топене. В разтопено състояние веществата, които образуват йонни кристали, са електропроводими. Когато се разтворят във вода, тези вещества се дисоциират на катиони и аниони, а получените разтвори провеждат електрически ток.
Високата разтворимост в полярни разтворители, придружена от електролитна дисоциация, се дължи на факта, че в среда на разтворител с висока диелектрична константа ε, енергията на привличане между йони намалява. Диелектричната константа на водата е 82 пъти по-висока от тази на вакуума (условно съществуващ в йонен кристал), а привличането между йони във воден разтвор намалява със същото количество. Ефектът се засилва чрез солватация на йони.
Атомните кристали са изградени от отделни атоми, държани заедно чрез ковалентни връзки. От простите вещества само борът и елементите от IVA група имат такива кристални решетки. Често съединения на неметали помежду си (например силициев диоксид) също образуват атомни кристали.
Точно като йонните кристали, атомните кристали могат да се считат за гигантски молекули. Те са много здрави и твърди и не провеждат добре топлина и електричество. Веществата, които имат атомни кристални решетки, се топят при високи температури. Те са практически неразтворими в никакви разтворители. Те се характеризират с ниска реактивност.
Молекулярните кристали са изградени от отделни молекули, в които атомите са свързани с ковалентни връзки. Между молекулите действат по-слаби междумолекулни сили. Те лесно се разрушават, така че молекулярните кристали имат ниски точки на топене, ниска твърдост и висока летливост. Веществата, които образуват молекулни кристални решетки, нямат електрическа проводимост, а техните разтвори и стопилки също не провеждат електрически ток.
Междумолекулните сили възникват поради електростатичното взаимодействие на отрицателно заредените електрони на една молекула с положително заредените ядра на съседните молекули. Силата на междумолекулните взаимодействия се влияе от много фактори. Най-важното сред тях е наличието на полярни връзки, тоест изместване на електронната плътност от един атом към друг. В допълнение, междумолекулните взаимодействия са по-силни между молекулите с голям бройелектрони.
Повечето неметали под формата на прости вещества (напр. йод I 2, аргон Ar, сяра S 8) и съединения помежду си (например вода, въглероден диоксид, хлороводород), както и почти всички твърди органични вещества образуват молекулярни кристали.
Металите се характеризират с метална кристална решетка. Съдържа метална връзка между атомите. В металните кристали ядрата на атомите са подредени по такъв начин, че опаковката им да е възможно най-плътна. Свързването в такива кристали е делокализирано и се простира през целия кристал. Металните кристали имат висока електрическа и топлопроводимост, метален блясък и непрозрачност и лесна деформируемост.
Класификацията на кристалните решетки съответства на гранични случаи. Повечето кристали на неорганичните вещества принадлежат към междинни типове - ковалентно-йонни, молекулярно-ковалентни и др. Например в кристал графитВъв всеки слой връзките са ковалентно-метални, а между слоевете са междумолекулни.
Изоморфизъм и полиморфизъм
Много кристални вещества имат еднаква структура. В същото време едно и също вещество може да образува различни кристални структури. Това се отразява във явленията изоморфизъмИ полиморфизъм.
Изоморфизъмсе крие в способността на атомите, йоните или молекулите да се заместват взаимно в кристални структури. Този термин (от гръцки " isos" - равно и " морфа" - форма) е предложен от E. Mitscherlich през 1819 г. Законът за изоморфизма е формулиран от E. Mitscherlich през 1821 г. по следния начин: „Същият брой атоми, свързани по същия начин, дават еднакви кристални форми; Освен това кристалната форма не зависи от химическата природа на атомите, а се определя само от техния брой и относителна позиция."
Работейки в химическа лабораторияБерлинският университет Мичерлих обърна внимание на пълното сходство на кристалите на оловни, бариеви и стронциеви сулфати и сходството на кристалните форми на много други вещества. Неговите наблюдения привлякоха вниманието на известния шведски химик Й.-Я. Берцелиус, който предложи на Мичерлих да потвърди наблюдаваните закономерности, използвайки примера на съединения на фосфорна и арсенова киселина. В резултат на изследването се стигна до заключението, че „двете серии соли се различават само по това, че едната съдържа арсен като киселинен радикал, а другата съдържа фосфор“. Откритието на Мичерлих много скоро привлече вниманието на минералозите, които започнаха изследвания върху проблема с изоморфното заместване на елементи в минералите.
По време на съвместната кристализация на вещества, склонни към изоморфизъм ( изоморфенвещества), се образуват смесени кристали (изоморфни смеси). Това е възможно само ако частиците, които се заменят, се различават малко по размер (не повече от 15%). Освен това изоморфните вещества трябва да имат подобно пространствено разположение на атомите или йоните и, следователно, подобни по външна формакристали. Такива вещества включват например стипца. В кристали калиева стипца KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O калиеви катиони могат да бъдат частично или напълно заменени с рубидиеви или амониеви катиони, а алуминиевите катиони с хромови (III) или железни (III) катиони.
Изоморфизмът е широко разпространен в природата. Повечето минерали са изоморфни смеси със сложен, променлив състав. Например в минерала сфалерит ZnS до 20% от цинковите атоми могат да бъдат заменени с железни атоми (докато ZnS и FeS имат различни кристални структури). Изоморфизмът е свързан с геохимичното поведение на редки и микроелементи, тяхното разпространение в скали и руди, където те се съдържат под формата на изоморфни примеси.
Изоморфното заместване определя много полезни свойства изкуствени материали модерни технологии- полупроводници, феромагнетици, лазерни материали.
Много вещества могат да образуват кристални форми, които имат различни структури и свойства, но един и същ състав ( полиморфенмодификации). Полиморфизъм- способността на твърдите тела и течните кристали да съществуват в две или повече форми с различни кристални структури и свойства с еднакъв химичен състав. Тази дума идва от гръцки " полиморфос"- разнообразен. Феноменът на полиморфизма е открит от М. Клапрот, който през 1798 г. открива, че два различни минерала - калцит и арагонит - имат еднакви химичен състав CaCO3.
Полиморфизмът на прости вещества обикновено се нарича алотропия, докато концепцията за полиморфизъм не се прилага за некристални алотропни форми (например газообразни O 2 и O 3). Типичен пример за полиморфни форми са модификациите на въглерода (диамант, лонсдейлит, графит, карбини и фулерени), които рязко се различават по свойства. Най-стабилната форма на съществуване на въглерода е графитът, но другите му модификации при нормални условия могат да съществуват за неопределено време. При високи температури те се превръщат в графит. В случая с диаманта това се случва при нагряване над 1000 o C в отсъствие на кислород. Обратният преход е много по-труден за постигане. Необходима е не само висока температура (1200-1600 o C), но и огромно налягане - до 100 хиляди атмосфери. Превръщането на графит в диамант става по-лесно в присъствието на разтопени метали (желязо, кобалт, хром и други).
При молекулярните кристали полиморфизмът се проявява в различна опаковка на молекулите в кристала или в промени във формата на молекулите, а при йонните кристали – в различни относителна позициякатиони и аниони. Някои прости и сложни вещества имат повече от два полиморфа. Например силициевият диоксид има десет модификации, калциевият флуорид - шест, амониевият нитрат - четири. Полиморфните модификации обикновено се означават с гръцките букви α, β, γ, δ, ε,... като се започне с модификации, които са стабилни при ниски температури.
При кристализиране от пара, разтвор или стопилка на вещество, което има няколко полиморфни модификации, първо се образува модификация, която е по-малко стабилна при дадени условия, която след това се превръща в по-стабилна. Например, когато фосфорните пари се кондензират, се образува бял фосфор, който при нормални условия бавно се превръща в червен фосфор при нагряване. Когато оловният хидроксид се дехидратира, първо (около 70 o C) се образува жълт β-PbO, който е по-малко стабилен при ниски температури, при около 100 o C се превръща в червен α-PbO, а при 540 o C се превръща; обратно в β-PbO.
Преходът от един полиморф към друг се нарича полиморфна трансформация. Тези преходи възникват при промяна на температурата или налягането и са придружени от рязка промяна в свойствата.
Процесът на преход от една модификация към друга може да бъде обратим или необратим. По този начин, когато бяло меко графитоподобно вещество със състав BN (борен нитрид) се нагрява при 1500-1800 o C и налягане от няколко десетки атмосфери, се образува неговата високотемпературна модификация - боразон, близо до диаманта по твърдост. Когато температурата и налягането се понижат до стойности, съответстващи на нормални условия, боразонът запазва структурата си. Пример за обратим преход са взаимните трансформации на две модификации на сярата (орторомбична и моноклинна) при 95 o C.
Полиморфните трансформации могат да възникнат без значителни промени в структурата. Понякога изобщо няма промяна в кристалната структура, например при прехода на α-Fe към β-Fe при 769 o C структурата на желязото не се променя, но неговите феромагнитни свойства изчезват.
